內部(Topology)

Basis
最後更新: 標籤: 拓撲學

想到實數線上的區間 (0,1)(0, 1) 時,每個點都感覺「安全地在內部」——你可以向兩個方向稍微移動而仍留在區間內。相較之下,[0,1][0, 1] 的端點 00 恰好坐落在邊緣:每個鄰域都跨越了邊界。**內部(interior)**在任意拓撲空間中精確表達這種直覺,完全不提及距離。

內部點

(X,τ)(X, \tau)拓撲空間AXA \subseteq X。若存在開集 UτU \in \tau 使得

xUA,(1)x \in U \subseteq A, \tag{1}

則稱 XX 中的點 xxAA內部點(interior point)

用通俗的話說:xxAA 的內部點,當 xx 的某個開鄰域完全包含在 AA 中。注意 xx 本身必須屬於 AA(因為 xUAx \in U \subseteq A),所以只有 AA 的點才能成為 AA 的內部點。

集合的內部

AA內部,記作 int(A)\operatorname{int}(A)(或 AA^\circ),是 AA 所有內部點的集合:

int(A){xX:Uτ, xUA}.(2)\operatorname{int}(A) \coloneqq \{ x \in X : \exists\, U \in \tau,\ x \in U \subseteq A \}. \tag{2}

有一個等價且通常更有用的描述:int(A)\operatorname{int}(A)AA最大開子集(largest open subset),即所有包含在 AA 中的開集的聯集:

int(A)={Uτ:UA}.(3)\operatorname{int}(A) = \bigcup \{ U \in \tau : U \subseteq A \}. \tag{3}

為了看出兩者一致,注意任何包含在 AA 中的開集 UAU \subseteq A 都將其所有點貢獻到 (3)(3) 的聯集中,使它們依 (1)(1) 成為內部點。反之,每個內部點 xx 都見證了一個滿足 UAU \subseteq A 的開集 UxU \ni x,所以 xx 也被聯集所包含。由於 τ\tau 在任意聯集下封閉(公理 T2),(3)(3) 中的聯集本身也是開集。

範例

實數線上的標準拓撲

R\mathbb{R} 的標準度量拓撲下:

  • int((0,1))=(0,1)\operatorname{int}\bigl((0, 1)\bigr) = (0, 1) ——開區間的內部就是它本身。
  • int([0,1])=(0,1)\operatorname{int}\bigl([0, 1]\bigr) = (0, 1) ——端點 0011 被去掉,因為它們附近沒有任何開區間完全包含在 [0,1][0, 1] 中。
  • int([0,1))=(0,1)\operatorname{int}\bigl([0, 1)\bigr) = (0, 1) ——同理;00 在邊緣。
  • int(Q)=\operatorname{int}(\mathbb{Q}) = \varnothing ——每個開區間都含有無理數,故沒有開集包含在 Q\mathbb{Q} 中。
  • int(R)=R\operatorname{int}(\mathbb{R}) = \mathbb{R} ——全集是開集。

離散拓撲

在任意集合 XX 上的離散拓撲中(每個子集都是開集),每個單點集 {x}\{x\} 都是開集。對任意 AXA \subseteq X 和任意 xAx \in A,開集 {x}\{x\} 滿足 x{x}Ax \in \{x\} \subseteq A,故 AA 的每個點都是內部點:

int(A)=A(離散拓撲).\operatorname{int}(A) = A \quad \text{(離散拓撲)}.

密著拓撲

X>1|X| > 1XX 上的密著拓撲中(只有 \varnothingXX 是開集),唯一的非空開集是 XX 本身。滿足 UAU \subseteq A 的開集 UU 必須屬於 {,X}\{\varnothing, X\},所以只有 U=U = \varnothing 的可能(除非 A=XA = X):

int(A)={X若 A=X,否則.\operatorname{int}(A) = \begin{cases} X & \text{若 } A = X, \\ \varnothing & \text{否則.} \end{cases}

內部的性質

(X,τ)(X, \tau) 為拓撲空間,A,BXA, B \subseteq X

  • int(A)\operatorname{int}(A) 是開集,且 int(A)A\operatorname{int}(A) \subseteq A。(直接由 (3)(3) 得出。)
  • AA 是開集,當且僅當 A=int(A)A = \operatorname{int}(A)AA 是開集,它是 (3)(3) 的聯集中的一個集合,故 Aint(A)A \subseteq \operatorname{int}(A);結合 int(A)A\operatorname{int}(A) \subseteq A 得到等式。
  • 冪等性: int(int(A))=int(A)\operatorname{int}(\operatorname{int}(A)) = \operatorname{int}(A)。由於 int(A)\operatorname{int}(A) 已是開集,它的內部就是它本身。
  • 單調性:ABA \subseteq B,則 int(A)int(B)\operatorname{int}(A) \subseteq \operatorname{int}(B)
  • 對交集的分配: int(AB)=int(A)int(B)\operatorname{int}(A \cap B) = \operatorname{int}(A) \cap \operatorname{int}(B)
  • 對聯集的半分配: int(A)int(B)int(AB)\operatorname{int}(A) \cup \operatorname{int}(B) \subseteq \operatorname{int}(A \cup B)。等號一般不成立:在 R\mathbb{R} 中,int([0,1])int([1,2])=(0,1)(1,2)\operatorname{int}([0,1]) \cup \operatorname{int}([1,2]) = (0,1) \cup (1,2) 漏掉了 11,而 int([0,1][1,2])=int([0,2])=(0,2)\operatorname{int}([0,1] \cup [1,2]) = \operatorname{int}([0,2]) = (0,2)

對偶視角:閉包

內部與閉包(closure)透過取補運算互為對偶:

int(A)=XXA,(4)\operatorname{int}(A) = X \setminus \overline{X \setminus A}, \tag{4}

其中 B\overline{B} 表示 BB 的閉包。你可以把這讀作:AA 的內部由那些不在補集閉包中的點組成。這種對偶性是根本性的——關於內部的結論和關於閉包的結論可以透過取補互相轉化。

摘要

  • 當某個開集 UU 滿足 xUAx \in U \subseteq A 時,xxAA內部點
  • 內部 int(A)\operatorname{int}(A)AA 所有內部點的集合,等價地也是 AA 的最大開子集。
  • AA 是開集,當且僅當 A=int(A)A = \operatorname{int}(A)
  • 內部算子具有冪等性單調性,對有限交集可分配,對聯集只有單向的分配。
  • 在離散拓撲中每個集合等於自己的內部;在密著拓撲中只有 \varnothingXX 如此。
  • 內部與閉包互為對偶:int(A)=XXA\operatorname{int}(A) = X \setminus \overline{X \setminus A}